在役乙烯裂解爐管金相組織分析與力學(xué)性能研究

陳德昌 張佳亮 胡足(蘭州石化公司研究院， 蘭州 730060)

在役乙烯裂解爐管金相組織分析與力學(xué)性能研究

陳德昌 張佳亮 胡足(蘭州石化公司研究院， 蘭州 730060)

本次試驗(yàn)對(duì)服役8年的U型輻射段爐管進(jìn)行了宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織、元素面掃描及力學(xué)性能測試研究，結(jié)果表明，爐管沒有發(fā)生明顯的蠕脹和彎曲變形，但已發(fā)生滲碳，組織劣化嚴(yán)重，高溫強(qiáng)度嚴(yán)重下降且呈明顯脆性，沖擊韌性值低，力學(xué)性能下降，已不適合繼續(xù)使用。

裂解爐管；滲碳；蠕變

在煉油化工工業(yè)生產(chǎn)中，乙烯的生產(chǎn)占有極其重要的地位，而乙烯生產(chǎn)裝置的投入成本也相對(duì)較高，其中僅裂解爐管一項(xiàng)就大約占乙烯裝置總投資的十分之一[1]。近年來隨著裂解爐爐型的改進(jìn)，裂解溫度逐步的提高，工藝介質(zhì)通過時(shí)間縮短，傳熱強(qiáng)度提高，使?fàn)t管壁厚逐漸變薄，但同時(shí)對(duì)裂解爐管的材料性能也提出了更高要求[2]。

某石化廠乙烯裂解爐輻射爐管采用U型爐管，此種爐管具有結(jié)構(gòu)簡單，比表面積大，停留時(shí)間短，裂解爐選擇性高的特點(diǎn)，裂解爐的U型輻射爐管采用單排排列，與輻射爐管采用雙排排列相比，輻射爐管周向受熱更加均勻。為保證爐管的安全運(yùn)行，對(duì)運(yùn)行時(shí)間為8年的爐管進(jìn)行理化檢驗(yàn)及力學(xué)性能分析，進(jìn)而評(píng)估爐管的運(yùn)行狀態(tài)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取某自石化廠乙烯裝置U型輻射段爐管，共截取兩段爐管，1#爐管為出口管，平均外徑尺寸φ60.6mm，2#爐管為進(jìn)口管，平均外徑尺寸為φ75.6mm。爐管的工作溫度為860～870℃，操作壓力為0.4～0.45MPa。爐管為離心式澆鑄管，原始化學(xué)成分如表1所示。

表1 爐管原始化學(xué)成分(wt%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

采用光譜對(duì)服役爐管進(jìn)行了化學(xué)成分測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 服役爐管化學(xué)成分(wt%)

成分測試結(jié)果表明，爐管Ni、Mo、Mn、P、S均符合標(biāo)準(zhǔn)，Si含量稍有降低，從后面的分析中可知這是由于形成了Si的氧化物所致。Cr含量有明顯降低，從后面的分析中可知這是由于形成了Cr的氧化物所致。

2.2 爐管金相組織分析

金相檢測是判斷裂解爐管劣化程度的一個(gè)重要方法。部分爐管材質(zhì)的損傷是在劣化初始階段只能通過金相檢測來判斷，裂紋等缺陷的機(jī)理判斷也只能通過金相檢測來觀察。金相組織分析表明兩段爐管無明顯的蠕變空洞和蠕變裂紋，但服役爐管的顯微組織較原始爐管發(fā)生了明顯的變化，爐管組織中晶界碳化物已由鑄態(tài)的骨架狀轉(zhuǎn)為網(wǎng)鏈狀，晶內(nèi)奧氏體基體中的二次碳化物已基本消失，組織劣化嚴(yán)重。

2.3 元素面掃描分析

為了了解兩段滲碳爐管各元素的分布，分別對(duì)兩段爐管進(jìn)行了元素面掃描分析，分析發(fā)現(xiàn)兩段爐管的元素分布基本相同，C元素和Cr元素主要以碳化物形式集中分布在晶界處，晶內(nèi)幾乎沒有C元素和Cr元素，表面晶內(nèi)碳化物已基本消失。Ni元素均勻分布在晶內(nèi)，同時(shí)在晶界位置還有少量的Nb和Si。元素面掃描圖譜表明，爐管組織嚴(yán)重劣化，高溫強(qiáng)度嚴(yán)重下降。

2.4 力學(xué)性能測試

滲碳使?fàn)t管材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，對(duì)爐管的使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響，試驗(yàn)中對(duì)兩段爐管分別選取三個(gè)不同部位的樣品進(jìn)行常溫力學(xué)性能測試，結(jié)果表明爐管常溫?cái)嗔褟?qiáng)度明顯下降，由于組織劣化，造成爐管呈明顯脆性，已無法測量屈服強(qiáng)度和延伸率，這也將造成爐管高溫強(qiáng)度嚴(yán)重下降。

3 結(jié)語

(1) 1#管段(出口管)表面氧化較嚴(yán)重，2#爐管表面狀況良好，兩段爐管均沒有明顯蠕脹和彎曲變形，爐管的元素分布基本相同，但C含量均高于原始成分，這說明爐管已發(fā)生滲碳，其他元素含量都在正常范圍內(nèi)。

(2)金相觀察表明，爐管組織中晶界碳化物已由鑄態(tài)的骨架狀轉(zhuǎn)為網(wǎng)鏈狀，晶內(nèi)奧氏體基體中的二次碳化物已基本消失，組織劣化嚴(yán)重。

(3)爐管內(nèi)C元素和Cr元素主要以碳化物形式集中分布在晶界處，晶內(nèi)幾乎沒有C元素和Cr元素，表面晶內(nèi)碳化物已基本消失。Ni元素均勻分布在晶內(nèi)，同時(shí)在晶界位置還有少量的Nb和Si。元素面掃描圖譜表明，爐管組織嚴(yán)重劣化，高溫強(qiáng)度嚴(yán)重下降。

(4)力學(xué)性能測試結(jié)果表明，爐管呈明顯脆性，沖擊韌性值低，力學(xué)性能嚴(yán)重下降。

(5)服役8年的裂解爐輻射爐管已不適合繼續(xù)使用，建議檢修期間更換新爐管。

[1]譚家隆,李軍輝.乙烯裂解反應(yīng)管的滲碳損傷及其原因[J].機(jī)械工程材料.1989,6：45-48.

[2]關(guān)家錕.裂解爐管滲碳損傷的研究[J].石化技術(shù).1997.4(4)：216-220.